肺炎双球菌

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1、.从微生物学角度(1) 肺炎双球菌的结构 肺炎双球菌是一种细菌，属原核生物。由于核区中 的DNA分子不与蛋白质结合，因此，用它作实验材料易于单独观察DNA在遗传中的 作用。(2) 何为荚膜？其作用怎样？荚膜是细菌细胞壁外围绕一层较厚的粘性、胶冻样物质。其化学成分随细菌 种类不同而有差异，多数细菌的荚膜成分为多糖，如肺炎双球菌。荚膜的形成受遗 传物质(基因)控制。荚膜与细菌的致病性有关，同时荚膜还能储留水分能抗干燥，对保护细菌有作 用。荚膜本身无毒性，但在机体内保护细菌抵抗吞噬细胞的吞噬及消化，并能抑制 体内杀菌物质(如溶菌酶)的杀菌作用，使细菌易在体内大量繁殖致病。细菌若失 去荚膜，致病力也随

2、之减弱或消失。(3) 何为菌落？ 菌落是单个或少数细菌在固体培养基上大量繁殖时，形成 的一种肉眼可见的、具有一定形态结构的子细胞群。每种细菌在一定条件下所形成 的菌落，可以作为菌种鉴定的重要依据。2. 从分类学角度肺炎双球菌有两种类型：一种是R型细菌，无多糖类的荚膜，是无毒性的；另 一种是S型细菌，具有多糖类的荚膜，是有毒性的。R型实际上是S型肺炎双球菌 的突变类型，二者属于同一个物种。3. 从免疫学角度(1) 为何S型细菌会致病，而R型细菌不能致病？当细菌进入人或动物体后，由于免疫效应，都要被吞噬细胞吞噬消化，加以消 灭。由于S型细菌有荚膜，进入吞噬细胞后，受荚膜的保护，能抵抗吞噬细胞的吞

3、噬和消化，从而能迅速增殖、扩散，引起机体发生疾病。而R型细菌无荚膜，则能 被吞噬细胞吞噬、消化，所以不能使机体患病。(2) 同是一种S型的肺炎双球菌，为何使人患肺炎，而小鼠患白血病？肺炎双球菌都会使人或小鼠患肺炎，由于小鼠抵抗力差而细菌毒力较强，可并 发败血症。(3) 何谓加热杀“死”？这里加热的温度一般为60C左右，目的使蛋白质变性，细菌的感染力和致病性降低， 但抗原的特性仍然存在。（4）加热杀“死”后的S型细菌，其细胞中的DNA是否变性？由于DNA具有相对稳定性，把DNA溶液加热到沸点，就可以使氢键断开， 双螺旋解体，DNA分子急剧变性，转化活性也急剧下降，但如果将其缓慢冷却，分离了 的D

4、NA单链，就可以得以重聚。恢复其双螺旋结构，即DNA的“复性”。这样，学生就 能理解为什么加热杀死肺炎双球菌后，只要将其逐渐冷却与R型活菌混合在一起，就能 使R型向S型转化，因而杀死小鼠。4. 从遗传学角度（1）何为转化？其实质是什么？影响转化的因素有哪些？转化作用是指一种生物由于接受了另一种生物的遗传物质（DNA或RNA），而 表现出后者的某些遗传性状或发生遗传性状改变的现象。转化的实质是外源DNA与受体细胞DNA之间的重组，使受体细胞获得了新的遗 传信息。因此，转化作用可以看成广义上的基因重组。影响转化的因素有：供体细胞DNA的纯度。DNA越纯，转化率就越高。两 种细菌的亲缘关系。亲缘关系

5、越近，转化越容易。受体菌状态。只有处于感受态的受体菌才能被转化。受体细胞从外界直接吸吸收来自供体细胞 的DNA片段，并与其同源片段进行遗传物质交换，从而使受体细胞获得新的遗传特性的 现象，称为转化。（2）R型肺炎双球菌如何转化为S型肺炎双球菌？加热灭活的S型细菌遗留下各个DNA片段，其中包括控制荚膜形成的基因，这 些片段从S细菌中释放出来，并且在后继的培养中被一些R型细菌所摄取，进入R 型细菌的细胞中，以同源重组的置换方式，整合进入R型细菌的基因组中，使R型 细菌转化成S型细菌。可见，转化后形成的S型细菌内含有两种DNA（R型和S型）。 而S型有荚膜，无“感受态”，在自然情况下很难接收外源DN

6、A分子，不能 作用受体菌，故不能转化。在自然情况下，R型变成S型是通过基因突变来 实现的。如果感染了 S型肺炎双球菌，S型菌的DNA能不能进入人或小鼠的细胞?5. 从实验学角度(1)实验构思 该实验设计中最关键的思路是什么？从活的S型细菌中提取、分离和鉴定出各种成分，分别与R型细菌混合培养, 并观察其后代是否有S型细菌出现。(2)实验过程(3) 实验对照分析在体内转化实验中，之间形成相互对照，每一组既是实验组，又是其他 组别的对照组。在体外转化实验中，该实验所研究的实验因素为DNA，故用DNA处理的组为实验组，而蛋白质或多糖虽然是实验所实施的处理因素，但与实验因素(DNA )无 关，故组之间形

7、成条件对照，其中组为实验组，组为对照组；而组 和组之间形成空白对照，其中组为实验组，为对照组。(4) 实验结论 利用该实验能否证明蛋白质不是遗传物质？该实验能证明蛋白质不是遗传物质，因为在体外转化实验中，用S型的蛋白质 与R型细菌混合后，培养基中未出现S型菌落，说明蛋白质不是转化因子。例1肺炎双球菌转化实验中，将加热杀死的S型细菌与R型活细菌相混合后，注射到小鼠体内，在小鼠体内S型和R型细菌含量变化情况如图所示。下列有关叙 述中错误是的()A. 在死亡的小鼠体内存在着S型和R型两种细菌B. 曲线ab段下降的原因是R型细菌被小鼠的免疫系统所消灭C. 曲线be段上升，与S型细菌在小鼠体内增殖导致小

8、鼠免疫力降低有关D. S型细菌数量从0开始是由于R型细菌突变的结果解析：本题以经典实验为素材，综合考查R型和S型细菌的特点及细菌发生转 化的原因，引导学生对教材实验作进一步思考。R型细菌的数量与小鼠免疫力有关, S型细菌的产生是由于R型细菌转化的结果，而非基因突变所致。答案为D。例2证明DNA是遗传物质的肺炎双球菌体外转化实验中，设置了以下几组：S型细菌的蛋白质+R型活细菌命査R型菌落； S型细茵荚膜的多糖+R型活菌芳养电 R型菌落 吕型细菌的DWA+R型活细菌 諮莽込 S型菌落十R型菌蔣2S型细菌的DNA+DNA .水解酶+R型活细菌 芒汽电R型菌犠sU-CC*F列有关叙述中，错误的是A.

9、该实验设计的关键是将细菌的各组分分离开来分别进行实验B. 组之间形成条件对照，其中组为对照组，组为实验组C. 和组之间形成空白对照，其中组为实验组，为对照组D. 实验成功证明了 DNA是遗传物质，但不能证明蛋白质和多糖不是解析：该实验所研究的实验因素为DNA,故用DNA处理的组为实验组，而蛋白质或多糖虽然是实验所实施的处理因素，但与实验因素（DNA）无关，故 组之间形成条件对照，、组均为组的对照组；而组（实验组）和组（对 照组）之间形成空白对照。该实验也为蛋白质或多糖创造了参与转化的机会，但由 于它们未能实现转化，故能证明蛋白质和多糖不是遗传物质。答案为D。在某些化学或物理条件的诱导下，外源D

10、NA可以比较容易地进入真核细胞，这一过程称 为转染。可是在生理条件下，外源DNA进入细胞之前就被机体组织内的各种核酸酶彻底水解 和破坏了，即使有少量核酸没有被完全水解，也无法通过正常途径穿过细胞膜，进入细胞内 并运送到核。另外，发生转化的生物间必须有一定的亲缘关系，肺炎双球菌的S型和R型是 同一物种的两个品系，较易发生转化，细菌与人或小鼠之间的亲缘关系较远，几乎不能转化。供体细胞DNA片段即为格里菲斯认为的“转化因子”，R型细菌肺炎双球菌（受体细胞） 在对数期后期（生长后期）40分种内处于“感受态”，吸收外源DNA的能力比其它时期大1 000倍。此时R型活菌（受体细胞）膜表面有3080个“感受

11、态因子”位点。“感受态因 子”是一种膜外蛋白，可以催化外来DNA片段的吸收或降解细胞表面某种成分，从而使细胞 表面的DNA受体显露出来。被加热杀死的S型肺炎双球菌自溶，释放出的DNA片段（已失活）， 但双键结构尚在，分子量小于1 X107含有15个基因，即“转化因子”。当“转化因子”遇 到咸受态的R型活菌，就有10个左右这样的双链片段与R型菌膜表面的“感受态因子”位 点结合，在位点上进一步发生酶促分解，形成平均分子量为4X1065X106的DNA片段，然 后双链拆开，其中一条链降解，另一条单链进入细胞，与受体菌基因的相应同源区段配对， 并使受体菌基因的相应片段被切除，从而将其替换，形成杂种DN

12、A区段。随着受体基因进行 复制，杂合区段分离成两个，其中之一类似供体菌，另一个类似受体菌。当细胞分裂后，复 制的基因发生分离，于是就有R型菌产生S型菌肺炎双球菌的后代，此过程称为原核生物的 转化。其实质是基因重组。对肺炎双球菌转化实验的几点思考四川成都棠湖中学外语实验学校 何小波 张亚萍在讲授DNA是主要的遗传物质一节中，学生对肺炎双球菌的转化实验提出了几点质疑。笔者在经过认真思考、讨论、查阅资料后，针对各个问题一一进行了解答。笔者发现学生提出的疑问很有意义和代表 性，现将学生质疑和笔者解答整理如下，供同仁参考。也求抛砖引玉，获得更好的解答。1格里菲斯的体内转化实验实验中将加热杀死的S型和活的

13、R型混合注射到小鼠体内，小鼠患败血症死亡，并从小鼠体内分离出 活的S型，且其后代仍是有毒性的S型。格里菲思推论：在已经加热杀死的S型细菌中，必然含有一种“转 化因子”，促使R型转化为S型，且这种转化可遗传。11 质疑一：是 S 型复活还是 R 型被转化？学生的质疑：为什么是R型被转化，而不是加热杀死的S型复活呢?笔者的分析解答：学生提出这样的质疑，主要是对蛋白质的化学性质不太了解。蛋白质具有一定的空 间结构才具有生理活性，加热会破坏蛋白质的空间结构（变性），且该过程不可逆。所以加热后蛋白质变 性失活，不可能再恢复其功能（可以高温下酶失活为例）。而蛋白质是生命活动的承担者，蛋白质失活了 生命活动

14、就不可能再恢复，也就是说热杀死的 S 型是不可能复活的。当笔者作出上边的解释后，有学生立即又提出了下面的质疑。12 质疑二：加热杀死的 S 型的 DNA 为什么没被破坏还可以发挥转化作用?学生的质疑：加热杀死的S型菌的蛋白质变性失活了，失去了生理功能。那为什么热杀死的S型的DNA还有作用呢?笔者的分析解答：学生提出这样的质疑，和上一个问题的原因相似，主要是对DNA的结构及化学性质 不太了解。DNA是由两条链形成的双螺旋结构，两条链间碱基通过氢键连接。加热会使氢键断裂，使DNA 双螺旋解开成单链，称为DNA变性。但和蛋白质变性不同的是，当温度缓慢降低时单链又可以重新形成双 链，称为DNA复性。所

15、以，加热杀死的S菌的DNA还是有作用的。1. 3质疑三：转化因子是S型菌的整个DNA，还是DNA片段？学生的质疑：发挥转化作用的到底是S型菌的整个DNA，还是DNA片段？笔者的分析解答：这个问题涉及的是DNA分子变性、复性、以及基因的有关知识。通过查阅资料发现: 常用的DNA变性方法主要是热变性方法和碱变性方法。热变性使用得十分广泛，但是高温可能引起磷酸二 酯键的断裂，得到长短不一的单链DNA。而碱变性方法则没有这个缺点，在pH为11. 3时，全部氢键都被 淘汰，DNA完全变成单链的变性DNA。决定生物性状的基本单位叫做基因，它是DNA上具有遗传效应的片段。S菌的DNA上具有与荚膜形成 有关的

16、片段（基因），加热杀死S菌时，S型菌的DNA可能因高温引起磷酸二酯键的断裂，得到长短不一 的单链DNA。所以加热杀死S菌的时候，会得到与荚膜形成有关的DNA片段。该片段与R菌DNA整合后， 使得其也可以形成荚膜，即转变为S型。1. 4质疑四：S菌的DNA将R菌转化，还是S菌的DNA直接控制合成了 S菌?在本节教学中，笔者补充了证明RNA是遗传物质的实验烟草花叶病毒侵染实验。学生在知道烟草 花叶病毒的RNA侵染烟草细胞后，利用其所带的遗传信息控制合成了新的烟草花叶病毒的知识后，对肺炎 双球菌体内转化实验又提出了新的质疑。学生的质疑：为什么是S型菌的DNA转化了 R型，而不是S型菌的DNA像烟草花

17、叶病毒的RNA侵染烟 草细胞后直接控制合成了 S 菌？笔者的分析解答：学生发生这样的疑问是因为对病毒的结构和复制、细菌的结构和繁殖的知识掌握的 不够清晰，不能区分这两种生物的特征。病毒是非细胞结构的生物，由蛋白质外壳和核酸组成，子代病毒 是通过病毒核酸（遗传物质）在宿主细胞中控制合成的核酸和蛋白质组装而成。而细菌是细胞结构生物， 细胞通过分裂实现增殖，也就是说新细胞只能来自于细胞的分裂，而不可能来自于其他细胞直接合成。所 以该实验中应该是S型菌的DNA转化了 R型菌，而不是像烟草花叶病毒侵染实验那样直接控制合成了 S菌。2艾弗里的体外转化实验艾弗里和他的同事为了弄清转化因子是什么，分离提取了

18、S菌的DNA、蛋白质和多糖等物质，然后分 别加入已培养R型细菌的培养基中，结果发现：只有加入DNA，R型细菌才能转化为S型细菌。艾弗里还发 现：如果用DNA酶处理S型菌的DNA，使DNA分解，就不能使R型细菌发生转化。2. 1 质疑一：如果在S菌的培养基中加入R菌的DNA，S菌能否被转化为R型？学生的质疑：如果在S菌的培养基中加入R菌的DNA，S菌是不是也能整合R菌的DNA，从而被转化为 R型？笔者的分析解答：由于缺乏相应的微生物知识，对R型细菌转化的具体生理过程不清楚，很容易认为 在S菌的培养基中加入R菌的DNA，S菌也能整合R菌的DNA,从而被转化为R型。R型细菌之所以能整合S型菌的有关D

19、NA片段，转化为S型，与其自身的结构和特性有关。R型活菌 在对数期后期内处于“感受态”（细菌能从环境中摄取DNA进行转化的状态，称感受态（competence）。对 于感受态本质的解释，有人认为处于感受态的受体菌局部失去了细胞壁，使外源DNA能顺利经膜进入菌体, 称局部原生质体假说。也有人认为是受体细胞表面出现了一直能结合DNA并使之进入细胞的酶，称酶受体 假说）。被加热杀死的S型肺炎双球菌（供体菌）自溶，释放出自身的DNA片段，当DNA片段遇到感受态 的 R 型活肺炎双球菌（受体菌）时， R 型活肺炎双球菌（受体菌）细胞膜上的结合位点相结合，随后其中 一条链被细胞膜上的核酸酶降解，降解产生的

20、能量协助把另一条单链推进受体细胞（该过程称为DNA的结 合和摄取）。当单链进入受体菌细胞后，便与受体菌DNA上的同源区段发生交换重组。再通过受体菌DNA 复制、细胞分裂，而表现出转化的性状，于是就由R型肺炎双球菌产生出S型肺炎双球菌的后代。而s型肺炎双球菌有荚膜，无感受态，不能作为受体菌，所以在s菌的培养基中加入r菌的dna, s 菌不能被转化为r型。当然S型菌在自然状态下或人工的诱变下发生基因突变，s型菌可能突变为r型， 但不是转化。2. 2 质疑二：艾弗里的第三组实验（加DNA水解物）为什么没能排除人们对其实验的怀疑？学生的质疑：艾弗里在第三组实验（加DNA水解物）中，用DNA酶处理提取的

21、DNA,然后加入培养R 型菌的培养基中，结果培养基中未出现S型。这个实验从反面证明了 DNA是遗传物质，为什么不能排除人 们对提取的DNA中含有0. 02%的蛋白质起到了转化因子（遗传物质）的作用的怀疑？笔者的分析解答：这个推理从理论上来说确实没错，但是实际上，当时情况要复杂的多。当时人们对艾弗里实验结果表示怀疑的原因主要来自两个方面。一方面：艾弗里的实验并非无懈可击，人们发现他的第一个实验中的DNA纯度不够，关键性的实验证 据出现了问题，由此证据得到的推论自然会被人们怀疑。尽管艾弗里的第三个实验能做出一些解释，但是 人们仍然可以认为是DNA和蛋白质共同作用完成细菌的转化，或者蛋白质也参与了细

22、菌的转化过程，即无 法完全排除蛋白质可能起了作用的怀疑。另一方面：艾弗里由实验推论得到DNA是使R型细菌发生遗传改变的物质，这个观点与当时大多数科 学家的观点是截然不同的，因此很多人都不愿承认艾弗里的实验结果，这一点从他一生的遭遇就可以看出。 自 1930 年起，几乎每年艾弗里都因发现肺炎双球菌的抗原特异性取决于其多糖荚膜而获诺贝尔奖提名，但 由于当时人们普遍认为抗原特性取决于细胞表面的蛋白质，不相信艾弗里的结果，怀疑其结果是因为多糖 掺杂了蛋白质杂质导致的。在1946年以前，艾弗里有4次进入了第二轮名单，即诺贝尔奖委员会对其工作 做了书面评价，但是评价的结果都认为他的发现不值得获奖。 194

23、6年起，开始有人在提名艾弗里时提到他 对遗传物质的研究。当时研究核酸的两个权威一一卡罗林斯卡医学院的化学教授艾纳哈马斯登和他的前 学生，细胞研究与遗传学教授托布真卡佩森。这两个人都相信只有蛋白质才有可能是遗传物质，而且他 们根据自己的研究经验，知道很难除去DNA中的蛋白质杂质，从而不相信艾弗里的实验结果。1946年，由 哈马斯登对艾弗里的实验做了简短的书面评价，他对艾弗里的结果持批评态度，认为艾弗里的DNA是被蛋 白质杂质污染了，蛋白质才是转化因子。接下来的几年，有一些实验室用其他实验证实了艾弗里的结论，艾弗里的发现已获得了独立验证。1952 年，艾弗里再次进入了诺贝尔奖第二轮提名名单，由细菌

24、学教授伯恩特马尔姆格伦对之做了书面评价。 马尔姆格伦综述了这几年来的有关研究，认为蛋白质不太可能是转化因子。但是他的结论却是，要把DNA 作为转化因子仍然缺乏最后的证据，因此认为艾弗里的发现目前不值得获奖。从这些历史可以看出，由于艾弗里当时的研究结果和当时的主流思想、权威理论相反，所以一直不被人们重视，甚至被认为是无价值的。所以，他的结论被人们怀疑也就“理所当然”。在解答学生的这个质疑的同时，可以对学生进行这样一些情感教育：一、科学研究就是在这样的“吹 毛求疵”中不断前进的；二、科学研究中还需要自信，需要坚持自己的思想，需要怀疑的态度；三、淡薄 以明志，宁静以致远。艾弗里的成果虽然当时未被人肯

25、定，他未得到应有的荣誉，但他仍然热衷于自己的 工作，不断取得突破，终为世人敬仰。有的人获得诺贝尔奖，是为自己增辉，有的人获奖，却是为诺贝尔 奖增辉。艾弗里没有获得诺贝尔奖，应该是诺贝尔奖的遗憾，而不是艾弗里的遗憾。学生的这些质疑，有的虽然看似简单，但是要真正的解释清楚，需要我们深入教材，吃透教材。高中 教材和教参中的知识要解决这些问题，显得非常的有限，这就促进了我们教师的不断学习提高，需要教师 作一名学者，而不是教书匠。另外，学生的质疑是他深思熟虑之后提出的，是思维活跃的表现，同时这种 敢于质疑、大胆设想的精神，也是新课程要求的学生探究活动的具体体现，我们应该多加鼓励和引导。培 养学生的质疑精神、创新意识，才能为社会培养出创新型人才，为国家培养出真正的栋梁之才。2011-01-12 人教网